De actie van melatonine op cellulair niveau gebeurt via twee verschillende regulerende circuits, waarvan er twee van het grootste belang zijn. Dit zijn G-proteïne-gekoppeld melatonine receptor 1 (MT1) en melatoninereceptor 2 (MT2), die ook G-proteïne-gekoppeld is.
MT1 beïnvloedt de voortplanting (reproductie), metabolisme (metabolisme) en vasoconstrictie (vasoconstrictie); MT2 is vereist voor de overdracht van circadiane signalen en voor het netvlies ('retina-aantastend') dopamine afgifte en vasodilatatie (vasodilatatie). Bovendien wordt de activering van MT1- en MT2-receptoren door melatonine heeft een positieve invloed anti-oxidant potentieel evenals apoptose (geprogrammeerde celdood), dwz melatonine heeft een anti-oxidant effect op cellulair niveau en is dus celbeschermend.
Naast de anti-oxidant effect van melatonine, een immuunmodulerend effect is ook waargenomen. Enerzijds fungeert het hormoon als een radicale aaseter en anderzijds het aantal antioxidanten enzymen toeneemt.
Melatonine beïnvloedt het circadiane ritme en geeft informatie over het dag-nachtritme in het lichaam door. Het heeft een slaapbevorderende werking en verlaagt onder andere de lichaamstemperatuur 's nachts. In verschillende onderzoeken werd geconstateerd dat orale inname van melatonine verschillende slaapparameters verbeterde. In een meta-analyse met 19 placebo-gecontroleerde interventiestudies met 1,683 proefpersonen met slaapstoornissenwerd het effect van 2 tot 5 mg melatonine onderzocht. Binnen 7 tot 28 dagen werd de aanvangstijd van de slaap verkort en namen de kwaliteit en duur van de slaap toe. In een andere meta-analyse met 13 onderzoeken bleek melatonine ook een positief effect te hebben op de slaapkwaliteit in de primaire sector slapeloosheid, vertraagde slaapfase-syndroom, de niet-24-uurs slaap-waakstoornis bij blinde proefpersonen, en REM-slaapgedragsstoornis. In een interventiestudie bij slecht slapende proefpersonen ouder dan 50 jaar, werd a dosis van slechts 0.3 mg melatonine per dag verbeterde de slaapkwaliteit en genormaliseerde de plasmaspiegels van melatonine. Aangezien ouderen aan milde slaapstoornissen lijden als gevolg van melatoninedeficiëntie, werd dit waargenomen in de onderzoeken van Wade et al. dat melatonine bijzonder effectief is in deze subpopulatie. Gedurende een periode van minimaal 3 weken slikten 18- tot 80-jarige proefpersonen dagelijks 2 mg melatonine. Er was een verbetering van de slaapkwaliteit bij het ouderencollectief (55 jaar en ouder). Melatonine vertoonde in deze onderzoeken leeftijdsgebonden effecten, onafhankelijk van de basale melatoninespiegels (6-SMT gemeten in urine).
Opmerking: De biobeschikbaarheid van melatonine is erg laag omdat melatonine hoog ondergaat first-pass metabolisme in de lever De plasmahalfwaardetijd is slechts ongeveer 30 minuten. Melatonine blijkt dus de functie te hebben van een korte puls, in de zin van een tijdgeest.
